固井水泥漿對(duì)儲(chǔ)層損害的再認(rèn)識(shí)

許明標(biāo)，宋建建，由福昌

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心（長(zhǎng)江大學(xué)），湖北 武漢 430100）

固井水泥漿對(duì)儲(chǔ)層損害的再認(rèn)識(shí)

許明標(biāo)1，2，宋建建1，由福昌2

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心（長(zhǎng)江大學(xué)），湖北 武漢 430100）

固井作業(yè)是油氣田開發(fā)過(guò)程中的重要一環(huán)，其對(duì)儲(chǔ)層的損害主要由水泥漿濾液造成且是永久性的。儲(chǔ)層損害程度與水泥漿濾液組分和侵入范圍有關(guān)，射孔完井時(shí)孔眼長(zhǎng)度是否大于濾液侵入深度，直接關(guān)系到水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的損害程度和油氣井后續(xù)產(chǎn)量。通過(guò)分析水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的影響，提出了一種根據(jù)固井施工設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算水泥漿濾液最大侵入深度的方法。該方法所需參數(shù)容易獲得，計(jì)算簡(jiǎn)便，考慮了水泥漿動(dòng)態(tài)和靜態(tài)濾失階段的極限濾失情況，可作為射孔完井時(shí)射孔深度設(shè)計(jì)的參考，對(duì)油氣井儲(chǔ)層保護(hù)和射孔完井參數(shù)設(shè)計(jì)具有重要意義。一般來(lái)說(shuō)，采用密度1.9 g/cm3的水泥漿對(duì)砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行固井時(shí)，水泥漿濾液侵入儲(chǔ)層深度在常規(guī)射孔范圍內(nèi)，水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的污染可以忽略不計(jì)。

水泥漿；儲(chǔ)層損害；濾液；侵入深度；射孔

0 引言

隨著勘探開發(fā)難度的增大，儲(chǔ)層保護(hù)越來(lái)越受到重視。作為油氣田開發(fā)過(guò)程中的重要一環(huán)，固井對(duì)儲(chǔ)層的損害主要由水泥漿濾液造成，并且具有永久性［1-2］。在對(duì)油氣井進(jìn)行固井后，所選擇的完井方式一般為射孔完井［3］，孔眼長(zhǎng)度即打開產(chǎn)層最大深度。若使用污染程度極低的水泥漿體系，孔眼長(zhǎng)度或許不太重要；然而，如果水泥漿體系對(duì)儲(chǔ)層污染嚴(yán)重，射孔孔眼則必須越過(guò)損害區(qū)。確定損害程度的一個(gè)重要參數(shù)是水泥漿濾液的侵入范圍［4］。為了在固井過(guò)程中更好地保護(hù)油氣層，為后續(xù)射孔完井的射孔深度設(shè)計(jì)提供依據(jù)，充分提高油藏產(chǎn)能和勘探開發(fā)效率，需要對(duì)水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的傷害進(jìn)行研究和分析。

1 水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的損害

水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的污染是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的損害程度持有不同的觀點(diǎn)［5-11］。一部分研究者認(rèn)為，水泥漿對(duì)儲(chǔ)層損害較大。其主要原因是：1）水泥漿固相含量高，污染一旦產(chǎn)生，采用常規(guī)酸化措施難以解除；2）水泥漿密度比鉆井液大，就會(huì)產(chǎn)生高壓差，形成高的儲(chǔ)層濾失而污染儲(chǔ)層；3）水泥漿頂替作業(yè)需要高泵速，產(chǎn)生的環(huán)空壓耗較高，可能使水泥漿被擠入儲(chǔ)層；4）固井沖洗液會(huì)破壞已形成的鉆井液泥餅，增強(qiáng)水泥漿進(jìn)入儲(chǔ)層的趨勢(shì)。

還有一部分研究者認(rèn)為，水泥漿對(duì)儲(chǔ)層損害較小。其主要原因是：1）固井作業(yè)時(shí)間一般較短，對(duì)儲(chǔ)層的污染作用有限；2）固井作業(yè)前已有鉆井液形成的泥餅，降低或消除了水泥漿的污染；3）固井隔離液具有一定的濾失控制能力，減輕了水泥漿進(jìn)入儲(chǔ)層的趨勢(shì)；4）鉆井液污染在前，水泥漿污染在后，水泥漿在很多情況下并不與油氣直接接觸，因而降低了水泥漿造成的直接污染；5）水泥漿的含水總量有限，對(duì)儲(chǔ)層的侵入深度和侵入量受水泥漿濾液來(lái)源的限制，而不會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的深度侵入。

從上述觀點(diǎn)分析可以發(fā)現(xiàn)，水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的損害不僅與水泥漿濾液組成有關(guān)，還與水泥漿侵入范圍有較大關(guān)系。

1.1 水泥漿濾液組成

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)水泥漿濾液組成對(duì)儲(chǔ)層損害的影響進(jìn)行了較多研究。X.M.Yang等［12］認(rèn)為，水泥漿濾液對(duì)儲(chǔ)層的影響主要有以下3個(gè)方面：1）水泥漿濾液的pH值（大于12）和二價(jià)陽(yáng)離子濃度高。高pH值會(huì)使黏土和粉砂變得松散而進(jìn)入孔喉中，導(dǎo)致儲(chǔ)層損害，而二價(jià)陽(yáng)離子（主要是Ca2+，Mg2+）濃度高，又會(huì)阻止粉砂運(yùn)移，將其“膠結(jié)”在孔隙中。2）高pH值濾液和石英顆粒之間的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致CaSiO3水合物的析出，對(duì)儲(chǔ)層造成影響。3）不可溶鹽（如CaCO3，CaSO4）的析出對(duì)儲(chǔ)層造成損害。C.R.Hughes等［13］認(rèn)為，水泥漿濾液與儲(chǔ)層巖石礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)儲(chǔ)層造成影響；Z. Krilov等［14］認(rèn)為，水泥漿濾液與儲(chǔ)層接觸引起儲(chǔ)層損害，主要是由于孔隙空間內(nèi)不溶性鹽CaCO3和CaSO4的沉淀積累；R.F.Krueger［15］認(rèn)為，水泥的水化作用使CaCO3過(guò)度飽和而重結(jié)晶（沉積在孔隙空間），同時(shí)濾液中CaCO3與地層中SiO2反應(yīng)生成CaSiO3，對(duì)儲(chǔ)層造成損害。

1.2 水泥漿侵入范圍

水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的損害范圍，主要受水泥漿濾失量的影響。郭小陽(yáng)等［16］考慮鉆井液與水泥漿雙重污染，結(jié)合水泥漿失水速度和失水時(shí)間、井眼尺寸、地層孔隙度等參數(shù)，計(jì)算得到水泥漿濾液的污染深度；J.F.Baret［17］根據(jù)配漿材料密度和頂替階段水泥漿失水前后密度，結(jié)合環(huán)空體積和泵入水泥漿體積，計(jì)算水泥漿動(dòng)濾失量；韓志海［18］根據(jù)水泥漿動(dòng)態(tài)濾失深度與候凝濾失深度計(jì)算公式，計(jì)算得到水泥漿濾液污染深度，該公式與水泥漿動(dòng)態(tài)濾失速率、靜態(tài)濾失速率、井徑、固井液種類、巖石孔隙度、驅(qū)替效率、水泥漿失重時(shí)間有關(guān)。

2 水泥漿濾液侵入深度

油氣井在進(jìn)行固井施工時(shí)，所使用的水泥漿體系一般已經(jīng)確定，因此水泥漿對(duì)儲(chǔ)層損害的影響主要表現(xiàn)在水泥漿濾液侵入范圍方面。

水泥漿的濾失行為基本上分為2個(gè)階段，一個(gè)是頂替過(guò)程中的動(dòng)態(tài)階段，一個(gè)是候凝時(shí)的靜態(tài)階段。對(duì)水泥漿濾失量的評(píng)價(jià)，從整個(gè)固井施工過(guò)程來(lái)說(shuō)，2個(gè)階段都需要考慮，水泥漿濾失量應(yīng)是頂替和候凝階段濾失量的總和。在實(shí)際工況下，為了更好地對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行保護(hù)和提高完井質(zhì)量，需要以最安全的角度考慮水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的損害。為評(píng)價(jià)極限濾失情況下水泥漿濾液侵入儲(chǔ)層的深度，筆者提出一種計(jì)算水泥漿濾液侵入深度的方法（不考慮儲(chǔ)層存在裂縫情況），用于進(jìn)行儲(chǔ)層保護(hù)和為射孔深度參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

固井過(guò)程中，在水泥漿靜液壓力與地層孔隙壓力的壓差作用下，水泥漿濾液侵入地層。水泥漿可進(jìn)入地層的水量是一次性的，不可能像鉆井液那樣不斷補(bǔ)充，無(wú)限制進(jìn)入地層［19］。水泥漿在井下的濾失量，最多為水泥漿的含水量。

為了確定固井過(guò)程中水泥漿的最大濾失量，首先需要確定固井封固環(huán)空體積。為了方便，假設(shè)井眼和套管都是圓柱體，其截面如圖1所示。

圖1 濾液侵入范圍截面

固井封固環(huán)空體積為

式中：Va為固井封固環(huán)空體積，cm3；rb為井眼中心到井壁的距離，cm；rc為井眼中心到套管的距離，cm；H為封固環(huán)空高度，cm。

以無(wú)任何外摻料水泥漿為例，若封固環(huán)空所使用的水泥漿密度為ρs，則水泥漿的水灰比為

式中：ρs，ρc，ρw分別為配制的水泥漿密度、水泥密度、水的密度，g/cm3；u為水泥漿水灰比。

假設(shè)配制密度為ρs、體積為Va的水泥漿，所需水泥和配漿水的質(zhì)量分別為m和w（單位為g）。所需的配漿水與水泥的質(zhì)量比值u為

根據(jù)式（3）、式（4），計(jì)算得到體積為Va的水泥漿的含水質(zhì)量為

在極限濾失情況下，水泥漿含水量可全部侵入儲(chǔ)層。假設(shè)濾液與配漿水密度相同，在封固環(huán)空體積為Va時(shí)，水泥漿最大濾失量的質(zhì)量與配漿水質(zhì)量w相等。

最大濾失量為式中：Vmax為封固環(huán)空體積為Va時(shí)水泥漿的極限濾失量，cm3。

若儲(chǔ)層巖石孔隙度為φ，封固儲(chǔ)層厚度為H，水泥漿在儲(chǔ)層內(nèi)的侵入深度離井眼中心的距離為rr（濾液侵入范圍截面見圖1），則儲(chǔ)層飽和濾液體積為

式中：Vp為儲(chǔ)層飽和濾液體積，cm3；rr為濾液侵入深度離井眼中心的距離，cm。

在極限濾失情況下，水泥漿濾液侵入深度最大，此時(shí)，儲(chǔ)層飽和濾液體積Vp與最大濾失量Vmax相等。根據(jù)式（1）、式（5）—（7），計(jì)算得到濾液侵入最大深度離井眼中心的距離：

則水泥漿濾液侵入儲(chǔ)層的最大深度為

式中：rmax為濾液侵入最大深度離井眼中心的距離，cm；c為水泥漿濾液侵入儲(chǔ)層的最大深度，cm。

當(dāng)油氣井進(jìn)行射孔完井時(shí)，通過(guò)對(duì)比水泥漿濾液侵入儲(chǔ)層的最大深度與射孔完井時(shí)打開產(chǎn)層的最大深度，即可判斷水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的損害程度。若水泥漿濾液在儲(chǔ)層的最大侵入深度在射孔范圍內(nèi)，則認(rèn)為水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的影響很小或可以忽略不計(jì)；若水泥漿濾液在儲(chǔ)層的侵入深度大于射孔深度，則認(rèn)為水泥漿對(duì)儲(chǔ)層影響較大。

3 模擬計(jì)算

某直井產(chǎn)層使用215.9mm（rb=10.80cm）鉆頭鉆進(jìn)，鉆至設(shè)計(jì)井深后下入139.7mm（rc=6.99cm）油層套管進(jìn)行固井。假設(shè)井眼和套管都是圓柱體，通過(guò)計(jì)算可以得到，215.9mm井眼與139.7mm套管環(huán)空之間每米水泥漿的體積為21282.89cm3。

固井時(shí)，水泥使用普通G級(jí)水泥，配漿水使用淡水，水泥密度為3.15 g/cm3，配漿水密度為1 g/cm3。水泥漿配制完成后，測(cè)得水泥漿密度為1.9 g/cm3，計(jì)算得到水泥漿的水灰比為0.44，即每100 g水泥需要使用44 g水配制。

根據(jù)所需配制的水泥漿體積和密度，計(jì)算得到套管與井眼環(huán)空之間每米水泥漿所能濾失到儲(chǔ)層的最大濾失量，Vmax為12355.9cm3。

若該井所在區(qū)塊儲(chǔ)層為砂巖，孔隙度一般為5%～25%?？紫抖刃∮?%的砂巖儲(chǔ)層沒有開采價(jià)值［20］。在不同孔隙度的儲(chǔ)層巖石中（全井段巖石物性一致的情況下），rmax和c的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 砂巖儲(chǔ)層水泥漿濾液最大侵入深度

從表1可以看出：假設(shè)該井儲(chǔ)層巖石孔隙度為5%，則水泥漿濾液推進(jìn)的最大深度在離井眼中心30.06cm處，離井壁深度為19.26cm。即該井在沒有失水控制，并且水泥漿中水量全部侵入地層的情況下，水泥漿濾液侵入地層的最大深度可達(dá)19.26cm。而目前油氣井常規(guī)射孔深度在30cm以上［21］，水泥漿濾液所能達(dá)到的極限距離不會(huì)超過(guò)正常射孔范圍。因此，在射孔完井條件下，該井使用密度1.9 g/cm3的水泥漿進(jìn)行固井時(shí)，正常射孔范圍大于水泥漿污染深度，水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的污染可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

1）本文提出的計(jì)算水泥漿濾液侵入深度的方法所需參數(shù)容易獲得，計(jì)算簡(jiǎn)便，并且綜合考慮了水泥漿動(dòng)態(tài)和靜態(tài)濾失階段的極限濾失情況。當(dāng)存在微裂縫時(shí)，水泥漿濾液可能微小滲流到深部，再均勻擴(kuò)散污染儲(chǔ)層，此時(shí)該方法不適用。

2）從計(jì)算公式可以看出，水泥漿濾液最大侵入深度與水泥漿密度、水泥密度、配漿水密度、儲(chǔ)層孔隙度、井眼尺寸和套管尺寸有關(guān)。

3）一般來(lái)說(shuō)，在砂巖儲(chǔ)層中，采用密度1.9g/cm3的水泥漿進(jìn)行固井時(shí)，水泥漿濾液最大侵入深度在正常射孔范圍內(nèi)，射孔完井可以消除水泥漿濾液對(duì)砂巖儲(chǔ)層造成的損害。

4）盡管水泥漿侵入地層較淺或在正常射孔范圍內(nèi)，但如果不重視也可能嚴(yán)重?fù)p害儲(chǔ)層，比如濾液侵入頁(yè)巖層段，即使深度很淺，也會(huì)導(dǎo)致軟化和坍塌。因此，在進(jìn)行固井施工和水泥漿配方設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)水泥漿濾失量進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則難以保證油氣井固井質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層保護(hù)。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Re-recognition of cement slurry damage to reservoir

XU Mingbiao1，2,SONG Jianjian1,YOU Fuchang2
(1.Petroleum Engineering College,Yangtze University,Wuhan 430100,China; 2.Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas,Yangtze University,Wuhan 430100,China)

Cementing operation is a prominent stage in oil and gas field development.The damage of formation caused by the slurry filtrate is permanent.The invasion range and components of cement slurry filtrate have a great relationship with reservoir damage, especially during the process of perforation completion.Whether the hole length is greater than the invasion depth or not is directly related to the formation damage and subsequent production of oil and gas wells.This paper presents the analysis of the effect of cement slurry on the reservoir,and a method used to calculate the maximum penetration depth of cement slurry using the design parameters of cementing operation was obtained.The calculation method considers the maximum filtration loss in both dynamic/ static conditions.The needed parameters can be easily obtained and the calculation process is simple.The calculated cement slurry filtrate invasion depth can be used as a reference for perforation depth design during completion perforating,as well as it has great significance to formation protection of oil and gas wells and the design of perforation completion parameters.In general,when cement slurry with a density of 1.9 g/cm3is used for cementing the sandstone reservoir,the invasion depth of filtrate in reservoir is within the range of conventional perforation and the contamination of the cement slurry can be ignored.

cement slurry;reservoir damage;filtrate;penetration depth;perforation

TE258

A

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”課題“涪陵頁(yè)巖氣水平井鉆井液與固井技術(shù)研究”（2016ZX05060-015）

10.6056/dkyqt201705030

2017-02-20；改回日期：2017-06-29。

許明標(biāo)，男，1962年生，教授，博士，現(xiàn)主要從事油氣井工作液方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：xmb62@163.com。

許明標(biāo)，宋建建，由福昌.固井水泥漿對(duì)儲(chǔ)層損害的再認(rèn)識(shí)［J］.斷塊油氣田，2017，24（5）：731-734.

XU Mingbiao，SONG Jianjian，YOU Fuchang.Re-recognition of cement slurry damage to reservoir［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（5）：731-734.